(57)【要約】【課題】燃料電池に供給する燃料ガスに含まれる水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にするとともに、各単位セルに供給する燃料ガスの量を均一にする。【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池スタック１０と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料タンクと、燃料電池と燃料タンクとを接続する燃料供給配管２１に設けられたエゼクタ３０と、燃料電池から排出されたアノードオフガスをエゼクタ３０に循環させる燃料循環配管３１とを備え、エゼクタ３０で燃料タンクから供給される燃料ガスにアノードオフガスを混合して燃料電池に供給する燃料電池システムＡであって、エゼクタ３０と燃料電池スタック１０との間の燃料供給配管２１に、キャッチタンク２０を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料貯留手段と、
前記燃料電池と前記燃料貯留手段とを接続する燃料供給路に設けられた燃料混合手段と、
前記燃料電池から排出された使役後の燃料ガスを前記燃料混合手段に循環させる燃料循環路と
を備え、前記燃料混合手段で前記燃料貯留手段から供給される燃料ガスに使役後の燃料ガスを混合して前記燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料混合手段と前記燃料電池との間の前記燃料供給路に、気液分離手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離手段は、前記混合手段から供給される燃料ガスの流速を減少させる流量調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記気液分離手段は、前記燃料電池に直接に近接して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池に供給する燃料ガスに含まれる水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にするとともに、各単位セルに供給する燃料ガスの量を均一にする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。
【０００３】
ここで、燃料電池スタックには、燃料タンクに充填された燃料ガスがエゼクタと呼ばれるジェットポンプによって供給される。燃料電池スタックに供給された燃料ガスは、各単位セルに分配されて電気化学反応に供され、使役後の燃料ガス（アノードオフガス）は、エゼクタに戻されて新たな燃料ガスと混合される（例えば特許文献１）。
【０００４】
また、単位セルの発電効率を高く維持するためには、電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保する必要がある。このため、例えば特許文献２に開示されているように、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを気液分離部に供給し、アノードオフガスに含まれる液滴を分離して燃料ガスをエゼクタに供給するとともに、分離した液滴を燃料ガス供給路で混合して燃料ガスの水蒸気圧を調整するようにした燃料電池システムが提案されている。
【０００５】
図２（Ａ）は、特許文献２に係る燃料電池システムＡの概要を示すもので、燃料電池の単位セルを多数積層した燃料電池スタック１と、エゼクタ２と、燃料タンク（図示略）とを直列に接続して燃料ガス供給系を構成するとともに、燃料電池スタック１と気液分離器３とエゼクタ２とを直列に接続して燃料ガス循環系を構成して概略構成されている。ここで、気液分離器３は、燃料電池で生成される凝縮水とアノードオフガスとを気液分離し、エゼクタ２は、燃料タンクから燃料電池スタック１への燃料ガスの流れによって負圧を形成し、この負圧で気液分離器３から燃料ガスを吸い込んで所定の燃料ガス濃度にして燃料電池スタック１へ供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−３００７５号公報
【特許文献２】特開２００２−１１７８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池セルの作動温度は例えば８０℃程度であるため、燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスは、常温よりも高いことが多い。一方、エゼクタに供給される燃料ガスは、燃料タンク内での圧縮状態から膨張してエゼクタに供給されるため、アノードオフガスよりも低温であることが多い。このため、アノードオフガスに含まれる燃料ガス（副流ガス）がエゼクタにおいて新たな燃料ガスと混合されると、副流ガスが冷却されてそれに含まれる水蒸気が凝縮し、液滴となって燃料ガスとともに燃料電池スタックに供給される。このため、燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料ガスと燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。
【０００８】
また、燃料電池スタックにおいては、膜電極構造体およびセパレータに設けられた孔が連続して積層方向に伸びる連通孔が設けられ、連通孔から各単位セルの膜電極構造体およびセパレータの間に設けられた燃料ガス流路に、燃料ガスが分岐して流通するようになっている。そして、連通孔の終端部は閉塞され、単位セルの燃料ガス流路を通過した使役後のアノードオフガスは、排出用の連通孔を流通して燃料電池スタックから排出される。このような燃料電池スタックの構造のため、エゼクタから燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流速が速いと、連通孔に供給された燃料ガスの流速は連通孔の入口で速く、奥へ進むに従って遅くなる。このため、図２（Ｂ）に示すように、連通孔の入口付近では燃料ガスが単位セルの燃料ガス流路に分岐し難くなり、燃料ガスの供給が不充分となる。その結果、特定の単位セルにおける膜電極構造体の燃料極が劣化する等好ましくない事態を招来する。
【０００９】
したがって、本発明は、燃料電池に供給する燃料ガスに含まれる水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にするとともに、各単位セルに供給する燃料ガスの量を均一にすることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されこれら酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料貯留手段と、燃料電池と前記燃料貯留手段とを接続する燃料供給路に設けられた燃料混合手段と、燃料電池から排出された使役後の燃料ガスを燃料混合手段に循環させる燃料循環路とを備え、燃料混合手段で前記燃料貯留手段から供給される燃料ガスに使役後の燃料ガスを混合して燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料混合手段と燃料電池との間の燃料供給路に、気液分離手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成の燃料電池システムにあっては、燃料混合手段において使役後の燃料ガスが冷却されてそれに含まれる水蒸気が凝縮し液滴となっても、燃料ガスが気液分離手段を流通する際に液滴が分離される。したがって、燃料電池に供給される水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にすることができる。また、燃料混合手段から燃料電池に燃料ガスを直接供給せずに途中で気液分離手段を通過させるから、気液分離手段により圧力損失が生じて燃料ガスの流速が低下する。これにより、燃料電池スタックの燃料ガス供給用の連通孔の入口付近では燃料ガスが単位セルの燃料ガス流路に分岐し易くなり、燃料ガスの供給が充分となる。
【００１２】
ここで、気液分離手段としては、重力による液滴の滴下により凝縮水を貯留するキャッチタンクが好適である。燃料ガスの流速は、気液分離手段を通過することで減少するが、流速を減少させるための特別な流量調整手段を気液分離手段に設けると効果的である。たとえば、気液分離手段には、邪魔板を有するラビリンス構造やフィルターを設けることができ、そのような構成は液滴を効率的に捕捉するとともに燃料ガスの流速を減少する効果を有する。あるいは、気液分離手段に燃料ガスが一時的に貯留される空間を備え、燃料ガスが空間を出るときに減速されるような構成も効果的である。そのような空間は、キャッチタンクに設けることができる。
【００１３】
気液分離手段は、燃料電池に直接に近接して接続されていることが望ましい。つまり、気液分離手段と燃料電池とが間に何も介さずに近接して接続されるのがよい。これにより、燃料電池の運転時に発生する熱が気液分離手段に伝達され、気液分離手段内の凝縮水の蒸発が促進される。燃料ガスに液滴が含まれず水蒸気分圧が上昇することは、フラッディングを抑制しつつ燃料極の湿潤状態を適正にする上で好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池に供給する燃料ガスに含まれる水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にするとともに、各単位セルに供給する燃料ガスの量を均一にすることができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。
【図２】従来の燃料電池システムを示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１において符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セル１１を多数積層して構成されている。単位セル１１は、電解質膜の両面に燃料極と空気極とが積層されてなる膜電極構造体の両側に、セパレータが積層された積層体であって、互いに隣接する単位セル１１の間には、燃料ガス流路１２が形成されている。また、燃料電池スタック１０には、膜電極構造体およびセパレータに設けられた孔が連続して積層方向に伸びる連通孔１３が設けられ、連通孔１３から各燃料ガス流路１２に燃料ガスが分岐して流通するようになっている。
【００１７】
燃料電池スタック１０には、キャッチタンク（気液分離手段）２０とエゼクタ（燃料混合手段）３０とが燃料供給配管（燃料供給路）２１によって直列に接続され、エゼクタ３０には水素などの燃料ガスが充填された図示しない燃料タンクが接続されている。また、燃料電池スタック１０とエゼクタ３０とは、燃料循環配管（燃料循環路）３１によって接続されている。
【００１８】
エゼクタ３０は、燃料タンクから燃料電池スタック１０への燃料ガスの流れによって負圧を形成する。この負圧で燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスを吸い込み、燃料タンクから供給される燃料ガスと混合して所定の燃料ガス濃度とし、これを燃料電池スタック１０へ供給する。
【００１９】
アノードオフガスには燃料電池で生成される凝縮水が含まれている。凝縮水を含むアノードオフガスと混合された燃料ガスは、キャッチタンク２０に供給される。キャッチタンク２０は、燃料ガスから凝縮水を重力によって気液分離し、液滴の滴下により貯留するとともに、凝縮水が除去された燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給する。また、キャッチタンク２０は、燃料ガスが一時的に貯留される空間を備え、燃料ガスが空間を出るときに減速されるようになっている。
【００２０】
なお、図示は省略するが、以上のような燃料ガスの供給循環系とは別に空気（酸化剤ガス）の供給系が設けられており、空気の供給系には、加湿器、コンプレッサ、熱交換器などが設けられている。そして、空気は、そのような供給系から燃料電池スタック１０に設けられた連通孔から各単位セルに設けられた酸化剤ガス流路に供給されるようになっている。
【００２１】
次に、上記構成の燃料電池システムＢの動作を説明する。燃料電池システムＢを作動させて発電する際には、空気が燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０には、燃料タンクからエゼクタ３０、キャッチタンク２０を経て燃料ガスが供給される。そして、燃料電池では、燃料ガスと空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じ、使役後の燃料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池スタック１０から燃料循環配管３１を流通してエゼクタ３０に供給される。
【００２２】
ここで、エゼクタ３０内では、燃料タンクから供給される燃料ガスが流通しており、その流れにより生じる負圧により燃料ガスにアノードオフガスが混合される。そして、燃料ガスとアノードオフガスとの混合ガスは、燃料供給配管２１を流通してキャッチタンク２０に供給される。
【００２３】
キャッチタンク２０では、アノードオフガスに含まれる凝縮水が燃料ガスと気液分離され、キャッチタンク２０の底部に貯留する。これにより、液滴が分離除去された燃料ガスが燃料電池スタック１０に供給される。
【００２４】
燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスは、連通孔１３を流通し、燃料ガス流路１２で分岐して各単位セル１１に供給される。この場合において、燃料ガスは、キャッチタンク２０を経て燃料電池スタックへ供給されるから、キャッチタンク２０において圧力損失が生じ、連通孔１３へ供給される燃料ガスの流速は低下する。このため、連通孔１３の入口付近であっても、燃料ガスは連通孔１３から燃料ガス流路１２へ容易に分岐することができる。
【００２５】
上記構成の燃料電池システムＢにあっては、エゼクタ３０においてアノードオフガスが燃料タンクから供給される燃料ガスによって冷却され、それに含まれる水蒸気が凝縮し液滴となっても、燃料ガスおよびアノードオフガスの混合ガスがキャッチタンク２０を流通する際に液滴が分離される。したがって、燃料電池に供給される水分の量を適正にして単位セル１１の燃料極の湿潤状態を適正にすることができる。また、エゼクタ３０から燃料電池スタック１０に燃料ガスを直接供給せずに途中でキャッチタンク２０を通過させるから、圧力損失によって燃料ガスの流速が低下する。これにより、燃料電池スタックの燃料ガス供給用の連通孔の入口付近では、燃料ガスが単位セルの燃料ガス流路に分岐し易くなる。その結果、各単位セルに対する燃料ガスの供給が均一となるので、特定の単位セルにおける膜電極構造体の燃料極の劣化等の発生を未然に防止することができる。
【００２６】
特に、上記実施形態では、キャッチタンク２０は燃料ガスが一時的に貯留される空間を備え、燃料ガスが空間を出るときに減速されるようになっているから、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの流速が確実に低下する。したがって、各単位セルに対する燃料ガスの供給をより均一にすることができる。
【００２７】
さらに、上記実施形態では、キャッチタンク２０と燃料電池スタック１０とが間に何も介さずに（間に他の機器類を配置することなく）近接して接続されているから、燃料電池の運転時に発生する熱がキャッチタンク２０に伝達されて昇温し、キャッチタンク２０内の凝縮水の蒸発が促進される。したがって、キャッチタンク２０を通る燃料ガスの水蒸気分圧が上昇し、フラッディングを抑制しつつ燃料極の湿潤状態を適正にすることができる。
【００２８】
なお、上記実施形態においては、キャッチタンク２０内に貯留した凝縮水をキャッチタンク２０と燃料電池スタック２０の間の燃料供給配管２１に供給して、燃料ガスの加湿に利用することができる。あるいは、キャッチタンク２０内に貯留した凝縮水を空気の供給系に供給して、空気の加湿に利用することもできる。また、気液分離手段としては、キャッチタンク２０に限定されるものではなく、ラビリンス構造やフィルターなどを有することで同等の機能を有するものであれば任意である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明では、燃料電池に供給する燃料ガスに含まれる水分の量を適正にして燃料極の湿潤状態を適正にするとともに、各単位セルに供給する燃料ガスの量を均一にすることができるので、厳しい信頼性が求められる自動車用の燃料電池システムに適用して極めて有望である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  燃料電池スタック
２０  キャッチタンク（気液分離手段）
２１  燃料供給配管（燃料供給路）
３０  エゼクタ（燃料混合手段）
３１  燃料循環配管（燃料循環路）
【図１】
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【図２】
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